Requerimientos básicos de resistencia al cortante

Análisis en Condiciones Drenadas

El análisis en condiciones drenadas se realiza utilizando los siguientes parámetros:

• Pesos Unitarios Totales
• Parámetros de c' y ɸ' para esfuerzos efectivos
• Presiones de poros determinadas por los niveles hidrostáticos del agua o el análisis del movimiento del agua

Análisis en Condiciones No Drenadas

En condiciones no drenadas, el cambio de las cargas ocurre más rápidamente que el flujo del agua. Las presiones de poros son controladas por el comportamiento del suelo como respuesta a los cambios de las cargas externas.

El análisis de condiciones no drenadas se realiza utilizando los siguientes parámetros:

• Pesos unitarios totales.
• Parámetros de c y ɸ para esfuerzos totales

Figura No. 1: Trayectoria de esfuerzos en un ensayo de corte directo para condiciones drenadas y no drenadas.

Análisis a Corto plazo

El análisis a corto plazo se refiere a las condiciones durante la construcción o inmediatamente después de terminada la construcción. Por ejemplo, si se construye un terraplén de material arenoso sobre una fundación de arcilla en un tiempo de dos meses, el análisis a corto plazo se refiere a estos dos meses. Durante este tiempo es razonable asumir que no ocurre drenaje en la fundación de arcilla pero sí se presenta drenaje en el terraplén de material arenoso. En estas condiciones, se debería utilizar el análisis drenado para el terraplén y no-drenado para la cimentación de arcillas saturadas. No es problema alguno hacer el análisis conjunto, debido a que en el terraplén se trabaja con los parámetros de esfuerzos efectivos y la fundación con los parámetros de esfuerzos totales. En el terraplén se especifican las presiones de poros pero en la arcilla, no.

No es que no ocurran las presiones de poros pero como la resistencia de la arcilla está relacionada con los esfuerzos totales, es innecesario especificar las presiones de poros (Duncan y Wright, 2005). Como los programas de computador restan las presiones de poros, sería un error especificarlos.

La estabilidad de taludes durante o al final del proceso de construcción, se realiza analizando las condiciones drenadas o no-drenadas de acuerdo con la permeabilidad del suelo. En los suelos arcillosos, posiblemente se requiere realizar el análisis con resistencia no-drenada y en los suelos arenosos, con resistencia drenada.

Análisis a Largo Plazo

Después de un periodo prolongado de tiempo, las arcillas cargadas alcanzan una condición drenada y el análisis a largo plazo, puede realizarse en condiciones drenadas.

En el caso del ejemplo anterior de un terraplén arenoso sobre una fundación de arcilla, en ambos materiales se debe realizar el análisis en términos de esfuerzos efectivos y presiones de poros determinadas de acuerdo con los niveles hidrostáticos del agua o el análisis de corriente de agua. Se especificarían presiones de poros para los dos materiales.

La variación de las cargas y de la resistencia al cortante, con el tiempo, produce cambios en los factores de seguridad de los taludes.

Cuando un talud en arcilla es excavado, las presiones de poros en la arcilla disminuyen, como respuesta a la excavación del material. Con el tiempo, estas presiones en exceso negativas, se disipan y la presión de poros eventualmente, puede regresar a su condición original (Figura No. 1 y Figura No. 2).

Figura No. 2: Variación, con el tiempo, de la presión de poros y del factor de seguridad durante y después de la excavación de un talud de arcilla (Bishop y Bjerrum, 1960).

Falla Progresiva

Una suposición fundamental en el análisis de equilibrio límite es que la resistencia del suelo puede movilizarse en un gran rango de deformaciones o sea que el suelo es dúctil y no frágil. Esta suposición se presenta porque el análisis de equilibrio límite, no tiene en cuenta las deformaciones. En algunos casos, la falla no ocurre de esta manera, sino que se presenta una falla progresiva.

La falla progresiva es una posibilidad muy fuerte en el caso de las excavaciones de taludes en arcillas sobreconsolidadas y en lutitas, especialmente en arcillas o lutitas fisuradas. Estos materiales tienen un comportamiento frágil o físil en el comportamiento esfuerzo - deformación. Cuando se realiza una excavación en una arcilla fisurada o en una lutita, el talud de la excavación rebota horizontalmente como se muestra en la Figura No. 3.

Estudios realizados por Duncan y Dunlop (1969) muestran que los esfuerzos de cortante son muy altos en el pie del talud y que hay una tendencia a la ocurrencia de la falla, empezando en el pie del talud y progresando hacia adentro. Inmediatamente después de la excavación del talud, (al tiempo t1) los esfuerzos en el punto A pueden haber alcanzado la resistencia pico y los esfuerzos en los puntos B y C, no han alcanzado la resistencia pico. Con el tiempo, el talud continuará su rebote hacia el corte, debido a una respuesta demorada al descargue relacionada con la excavación y posiblemente, a la expansión de la arcilla, al aumentar el contenido de agua relacionado con la reducción de esfuerzos.

Después de un tiempo (t2), las deformaciones en los puntos A, B, y C serán mayores. Los esfuerzos en el punto A van a disminuir al sobrepasar la resistencia pico y los esfuerzos en los puntos B y C, se acercan a la resistencia pico. Al continuar el proceso de falla progresiva (t3), el desplazamiento en el punto B será de tal magnitud, que habrá pasado también, la resistencia pico y los esfuerzos en el punto C, llegarían al valor de resistencia pico. En este proceso, la superficie de falla se iría desplazando de abajo hacia arriba, sin que se movilice la resistencia pico, simultáneamente en todos los puntos de la superficie de falla.

Entre mayor sea el índice de fragilidad, la posibilidad de falla progresiva aumenta. Una vez la falla progresiva se inicia, puede continuar en forma lenta o rápida, de acuerdo con las características del movimiento y la estructura de los materiales.

Para tener en cuenta la posibilidad de ocurrencia de falla progresiva en los suelos o rocas de comportamiento frágil (no dúctil), se recomienda utilizar los parámetros de resistencia residual, o sea, los parámetros del suelo después de que ha pasado la resistencia pico.

Cargas Sísmicas

Los sismos afectan la estabilidad de los taludes en dos formas: la aceleración producida por el movimiento de la tierra que somete el suelo a un sistema variable de fuerzas cíclicas y los esfuerzos cíclicos inducidos por las cargas del sismo que pueden producir reducción en la resistencia al cortante del suelo.

Si la resistencia del suelo se reduce en menos del 15% por acción de la carga sísmica, se puede hacer un análisis seudoestático de estabilidad del talud.

En el análisis seudoestático, el efecto del sismo se representa simplemente aplicando una carga estática horizontal a la masa de falla potencial. Si la reducción en la resistencia del suelo es más del 15% como resultado de las cargas cíclicas, se recomienda realizar un análisis dinámico para estimar las deformaciones y la pérdida de resistencia.

Adicionalmente al estudio del comportamiento de un talud en el momento de un sismo, se puede requerir el análisis de la estabilidad del talud después del sismo. Las deformaciones producidas durante el sismo, pueden generar una falla a mediano o largo plazo.

Condiciones Especiales de Carga

En ocasiones, se requiere realizar el análisis de las condiciones especiales de carga. Por ejemplo, si la fundación de arcilla es muy débil (cuando es incapaz de soportar las cargas impuestas por un terraplén) la estabilidad del terraplén se puede mejorar colocando solamente, una porción del relleno planeado.

En este caso, se puede realizar un análisis de consolidación para estimar el aumento de esfuerzos efectivos debido a la consolidación y el aumento en resistencia. En ocasiones, se requiere analizar la estabilidad de los taludes por la acción de sobrecargas colocadas provisionalmente durante la construcción, como depósitos de materiales y paso de maquinaria pesada.

Dependiendo de si la carga es temporal o permanente y si el suelo drena rápidamente o no, se utilizarían en el análisis, las resistencias drenadas o no-drenadas.

En las presas de tierra se puede requerir realizar análisis con diferentes niveles de agua y en el caso específico del descenso rápido del nivel del embalse.